Nowoczesna koncepcja przetwornicy rezonansowej napi cia sta ego

Transkrypt

1 Nowoczesna koncepcja przetwornicy rezonansowej napi cia sta ego Wymagania dotycz ce sprawno ci wspó czesnych urz dze zasilaj cych staj si coraz bardziej rygorystyczne. Poszukuj c rozwi za najbardziej energooszcz dnych zwrócono w ostatnich latach uwag na opisany teoretycznie w latach dziewi dziesi tych, ale na d ugo zapomniany rodzaj przetwornicy impulsowej rezonansowej z tzw. podwójn cz stotliwo ci rezonansow (lub podwójn indukcyjno ci ) zwanej w literaturze przetwornic typu LLC. Pojawia si coraz wi cej publikacji opisuj cych dosy skomplikowane zjawiska wyst puj ce w tego typu uk adach oraz przedstawiaj cych wskazówki projektowe. Na rynku zacz y si równie pojawia specjalizowane uk ady scalone dedykowane przetwornicom LLC. Zasilacze komercyjne produkowane w oparciu o ten nowy rodzaj przetwornicy s jeszcze bardzo rzadko spotykane na rynku, ale nale y si spodziewa, e w nied ugim czasie zaczn by szeroko stosowane, gdy umo liwiaj uzyskanie bardzo wysokiej sprawno ci przetwarzania przy niewielkiej liczbie elementów i niskich poziomach generowanych zak óce elektromagnetycznych [4]. Bardzo ogólnie rzecz ujmuj c, w przetwornicach rezonansowych regulacja (stabilizacja) napi cia wyj ciowego nie odbywa si poprzez zmian impulsowo przekazywanych porcji energii (jak to ma miejsce w klasycznych przetwornicach impulsowych i pseudo-rezonansowych), ale przez zmian impedancji obwodu rezonansowego przy zmianach cz stotliwo ci pracy w okolicy cz stotliwo ci rezonansowej. W efekcie uzyskuje si zmian wspó czynnika wzmocnienia funkcji przej cia, a wi c i warto ci wyj ciowego napi cia sta ego. W znanych i od dawna stosowanych uk adach przetwornic z rezonansem równoleg ym lub szeregowym wyst powa o szereg ogranicze zwi zanych przede wszystkim z wymaganiem pracy wy cznie w zakresie powy ej lub poni ej cz stotliwo ci rezonansu, bardzo du ym wzrostem cz stotliwo ci w przypadku pracy bez obci enia oraz wyst powaniem du ych przepi lub przet pr dowych w elementach prze czaj cych w okolicy cz stotliwo ci rezonansu. Nowa przetwornica LLC jest praktycznie pozbawiona tych wszystkich niedogodno ci. Uproszczony schemat pokazano na rysunku 1. ys. 1 Uproszczony schemat ideowy przetwornicy rezonansowej typu LLC Konfiguracja nie jest bardzo podobna do typowej wersji szeregowej przetwornicy rezonansowej. Jest jednak istotna ró nica w doborze parametrów transformatora, która w sposób zasadniczy wp ywa na zachowanie si uk adu. Transformator przetwornicy LLC jest tak skonstruowany, e indukcyjno uzwojenia pierwotnego L P jest porównywalna z warto ci indukcyjno ci rezonansowej L (zwykle

2 L P < 5 8L ) i tym samym bierze czynny udzia w procesach rezonansowych. Na schemacie wyra nie oddzielono t indukcyjno od pozosta ej cz ci transformatora traktowanej ju jako element idealny. W uk adzie wyst puj wi c dwie ró ne cz stotliwo ci rezonansowe - podstawowy uk ad rezonansowy tworz elementy L i C (te same, które wyst powa y w zwyk ej rezonansowej przetwornicy szeregowej), natomiast rezonans mo e równie wyst powa pomi dzy pojemno ci C oraz szeregowym po czeniem obu indukcyjno ci L + L P. W praktyce druga cz stotliwo rezonansowa jest zdecydowanie mniejsza. Dla przetwornicy LLC, podobnie jak dla uk adów z rezonansem szeregowym i równoleg ym, mo na wyznaczy znormalizowan charakterystyk wzmocnienia dla napi cia sta ego (nu WY /U WE ) w funkcji znormalizowanej cz stotliwo ci pracy (f/f ) przy zmiennym parametrze Q reprezentuj cym stan obci enia przetwornicy. Przyjmuj c nast puj ce za enia: f f podstawowa cz stotliwo rezonansowa 2 L C 1 - druga cz stotliwo rezonansowa 2 ( L L ) C L C AC P Q - dobro uk adu rezonansowego Gdzie AC to uogólniona rezystancja obci enia obwodu rezonansowego zale na od rezystancji obci enia 0 oraz przek adni transformatora n. N N P n - przek adnia transformatora, WT i dokonuj c analizy wzmocnienia dla sk adowej zmiennej, a nast pnie przeliczaj c je dla napi sta ych [5] uzyskuje si nast puj cy przebieg wzmocnienia w funkcji cz stotliwo ci: ys. 2 Znormalizowane wzmocnienie napi ciowe przetwornicy typu LLC

3 Przedstawione charakterystyki pokazuj, e w szerokim zakresie zmian obci enia (np. 0,25 < Q < 1) istnieje mo liwo istotnych zmian punktu pracy (wzmocnienia) przy zmianach cz stotliwo ci pracy wokó cz stotliwo ci rezonansowej. Jednocze nie jedn z najistotniejszych cech omawianej przetwornicy jest to, e niezale nie od wielko ci obci enia dla podstawowej cz stotliwo ci rezonansowej uogólniona warto wzmocnienia przetwornicy pozostaje równa jedno ci. Oznacza to, e przy prawid owo zaprojektowanym uk adzie w przetwornicy typu LLC nie b wyst powa y zmiany cz stotliwo ci nawet przy bardzo du ych zmianach obci enia. Opisany na rysunku 2 obszar pracy z Prze czaniem przy Zerowym Napi ciu (PZN), który znajduje si powy ej i na prawo od linii przerywanej oznacza, e dla przetwornicy pracuj cej w tym zakresie w czanie tranzystorów T1 i T2 odbywa si zawsze w momencie, gdy napi cie na tranzystorze jest równe zero, co eliminuje straty mocy tak k opotliwe w konwencjonalnych uk adach impulsowych. Szczegó owa analiza pracy przetwornicy LLC pokazuje równie [6], e wy czanie tranzystorów odbywa si zawsze przy stosunkowo ma ej warto ci pr du, a pojemno ci w asne tranzystorów bardzo skutecznie t umi przepi cia oraz przyczyniaj si do znacznego obni enia strat mocy powstaj cych przy wy czaniu tranzystorów. Ze wzgl du na sinusoidalny kszta t pr du w obwodzie rezonansowym, pr d p yn cy w diodach wyj ciowych ma kszta t po ówek sinusoidy co powoduje, e w zakresie pracy z cz stotliwo ci rezonansow i podrezonansow (w prawid owo zaprojektowanym uk adzie przy du ym obci eniu) komutacja diod odbywa si przy zerowym pr dzie. Tak, wi c w przetwornicy typu LLC w ca ym u ytecznym zakresie pracy praktycznie zminimalizowane zostaj straty mocy zwi zane z komutacj wszystkich elementów prze czaj cych. Bardzo ciekaw modyfikacj uk adu przetwornicy LLC umo liwia wykorzystanie indukcyjno ci rozproszenia pomi dzy stron pierwotn i wtórn transformatora, jako indukcyjno ci rezonansowej L. Transformator taki konstruowany jest w odmienny do przyj tych powszechnie zasad sposób rozproszenie staje si parametrem po danym i umo liwia wyeliminowania dodatkowego elementu magnetycznego w uk adzie. Taki transformator charakteryzuj cy si stosunkowo du ym (i co wa ne, kontrolowanym przez konstruktora i producenta) rozproszeniem magnetycznym nazywany jest transformatorem zintegrowanym [2]. Na rysunku 3 pokazano przyk adowo podstawowe przebiegi elektryczne w przetwornicy LLC pracuj cej z cz stotliwo ci rezonansow 300kHz przy mocy wyj ciowej 200W. Pr d w obwodzie rezonansowym I r Napi cie uzwojenia pierwotnego U P Napi cie wymuszaj ce U ds2 Napi cie bramki tranzystora T 2 ys 3. Podstawowe przebiegi elektryczne w uk adzie przetwornicy LLC (cz stotliwo rezonansowa f 1 =300kHz, obci enie: 24V, 8A, transformator zintegrowany: L P = 160 H, L = L S = 29 H)

4 W krótkim opracowaniu trudno jest przedstawi pe en opis z onych zjawisk zachodz cych w uk adzie przetwornicy typu LLC, które szczegó owo opisane s np. w [1, 3]. Najwa niejsze wnioski, które wynikaj z analizy tego nowatorskiego rozwi zania mo na przedstawi w nast puj cych punktach: mo liwa jest stabilna praca przetwornicy w szerokim zakresie obci enia, praktycznie od zera do obci enia nominalnego zmiany cz stotliwo ci w ca ym zakresie pracy nie s zbyt du e i nie przekraczaj zakresu 2:1 prze czanie tranzystorów odbywa si w ca ym zakresie pracy przy zerowym napi ciu (PZN), co jest wymagane dla przetwornic pracuj cych z du ymi cz stotliwo ciami ze wzgl du na minimalizacj strat mocy przy prze czaniu Prze czanie tranzystorów przy zerowym napi ciu (PZN) mo liwe jest zarówno w zakresie nadrezonansowym jak i pod-rezonansowym (w stosunku do podstawowej cz stotliwo ci rezonansowej f 1 ), co znacznie rozszerza zakres mo liwych napi zasilania przetwornicy LLC przy odpowiednim doborze zakresu cz stotliwo ci pracy mo na uzyska komutacj diod wyj ciowych przy zerowym pr dzie powoduje to radykalne zmniejszenie poziomu zak óce elektromagnetycznych oraz zmniejszenie strat mocy mo liwe jest zastosowania jednego elementu magnetycznego (zintegrowany transformator) i wykorzystanie paso ytniczych indukcyjno ci rozproszenia, jako elementów decyduj cych o prawid owej pracy przetwornicy i przyczyniaj cych si do obni enia strat mocy mo liwe jest zastosowanie nowoczesnych uk adów steruj cych przeznaczonych do przetwornic LLC, które zacz y si pojawia si w wersji komercyjnej na prze omie 2009/2010 roku [5] bardzo ma e straty mocy przy komutacji oraz istotny wp yw elementów paso ytniczych obwodu (rozproszenie magnetyczne, pojemno ci wewn trzne tranzystorów) predestynuj przetwornic LLC do pracy przy stosunkowo du ych cz stotliwo ciach, co umo liwia znaczne zmniejszenie gabarytów urz dzenia. W IMCON-INTEC przewidywane jest wdro enie w roku 2012 uniwersalnego zasilacza o mocy 200W zbudowanego w oparciu o struktur przetwornicy LLC. Zakres cz stotliwo ci pracy zasilacza b dzie si zawiera w granicach 200kHz 300kHz, sprawno energetyczna b dzie wy sza od 92%, a gabarytowo zasilacz b dzie odpowiada dotychczas produkowanemu modelowi o mocy ok W. Wdro enie b dzie rezultatem prac badawczo-rozwojowych prowadzonych od roku 2010 w ramach wycinka projektu celowego prowadzonego przez Instytut Metali Nie elaznych w Gliwicach i zwi zanego z wykorzystaniem nowoczesnych materia ów magnetycznych nanokrystalicznych i amorficznych w przetwornicach rezonansowych pracuj cych w zakresie cz stotliwo ci 200kHz 500kHz. dr in. yszard Siurek rsiurek@imcon.com.pl IMCON-INTEC S.C. Zasilacze i Systemy Zasilania ul. Lutycka 6, Gliwice

5 Literatura 1. Yang B., Lee F.C., Zhang A.J., Huang G., LLC esonant Converter for Front End DC/DC Conversion, work supported by the EC Program of the National Science Foundation under Award No. EEC , Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, USA, Delta Power Electronics Center, Pudong, Shanghai, China, IEEE APEC Conference Yang B., en Y., Lee F.C., Integrated magnetic for LLC resonant converter, IEEE APEC Proceedings, Liu., Lee C.Q. The LLC-type series resonant converter variable switching frequency control, Proceedings of IEEE, 32 nd Midwest Symposium on Circuits and Systems 1989, Urbana IL, August Walding C., LLC resonant topology lowers switching losses, boosts efficiency, Fairchild Semiconductor, Green Supply Line, 2008, 5. Hang-Seok Ch., Half-bridge LLC esonant Converter Design Using FSF-series Faichild Power Switch (FPS ), Application Note AN-4151, Fairchild Semiconductor Corporation, 2007, 6. Siurek., Analiza teoretyczna podstawowych topografii uk adów quasi-rezonasowych i rezonansowych, Opracowanie dotycz ce realizacji projektu celowego prowadzonego przez Instytut Metali Nie elaznych w Gliwicach, zadanie 1 pkt. 1.1 w ramach podzadania 5.4, Gliwice,